JPWO2015132919A1 - ガス化システム - Google Patents
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Abstract
本発明の目的は、熱交換器における熱交換効率を向上させ、ガス化原料を効率よくガス化することである。ガス化原料が流れる低温側流路３６、及びガス化原料を昇温する、超臨界状態の処理水が導入される高温側流路３７を備える対向流式熱交換器３０と、対向流式熱交換器３０で昇温されたガス化原料を、加熱及び加圧することにより超臨界状態にしてガス化し、超臨界状態の処理水として排出するガス化反応器５０と、ガス化反応器５０から排出された処理水を対向流式熱交換器３０に導く処理水流路５５とを含んで構成されるガス化システム１００であって、ガス化原料を低温側流路３６に導入し、導入されたガス化原料を低温側流路３６の途中から取り出し、取り出したガス化原料を加熱し、加熱したガス化原料を、取り出した位置よりも原料下流側の途中位置に戻す外部加熱手段３５を備える。
Description
本発明は、熱交換器を用いてバイオマス等のガス化原料をガス化するガス化システムに関する。
熱交換器を用いてバイオマス（焼酎残渣、採卵鶏糞等）等の原料をガス化するシステムとして、特許文献１、２には、二重管式熱交換器において含水性のバイオマスを超臨界水と熱交換させることにより昇温し、さらに所定の反応器やバーナーでバイオマスを加熱することによりバイオマスのガス化を行う技術が開示されている。
特許文献１、２の熱交換器においては、バイオマスを含む懸濁液を、常温から例えば約４００℃の高温に昇温させる。また、このときの熱交換器の内部圧力は高く、例えば２５ＭＰａである。
ところが、このような高温高圧下では水（懸濁液）の定圧比熱が大きくなるため、熱交換器における熱交換効率が低下し、これによりガス化の効率が低下してしまう場合があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱交換器における熱交換効率を向上させ、これによりガス化原料を効率よくガス化するガス化システムを提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明は、ガス化原料が流れる低温側流路、及び前記ガス化原料と熱交換することにより前記ガス化原料を昇温する、超臨界状態の処理水が導入される高温側流路を備える対向流式熱交換器と、前記対向流式熱交換器で昇温された前記ガス化原料を、加熱及び加圧することにより超臨界状態にしてガス化し、前記超臨界状態の処理水として排出するガス化反応器と、前記ガス化反応器から排出された処理水を前記対向流式熱交換器に導く処理水流路とを含んで構成されるガス化システムであって、前記ガス化原料を前記低温側流路に導入する原料導入手段と、前記原料導入手段により導入された前記ガス化原料を前記低温側流路の途中から取り出し、取り出した前記ガス化原料を加熱し、加熱した前記ガス化原料を、取り出した位置よりも原料下流側の途中位置に戻す外部加熱手段と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、熱交換器に導入されたガス化原料を低温側流路の途中で取り出し、取り出したガス化原料を加熱して、低温側流路の原料下流側に戻すことにより、例えば熱交換効率が低下する箇所をガス化原料が流通しないようにすることができ、これにより熱交換器における熱交換効率を向上させることができる。また、ガス化原料を熱交換器外の外部加熱手段で加熱することによりガス化原料を効率よくガス化することができる。
本発明の他の一つは、前記ガス化原料の定圧比熱の値に基づき前記取り出しを行う位置を決定し、決定した前記位置から前記ガス化原料を取り出すことを特徴とする。
本発明によれば、定圧比熱に基づき取り出しを行う位置を決定するので、例えば、定圧比熱の値が低い熱交換器の位置からガス化原料を取り出すことで、熱交換効率を確実に向上させることができる。
本発明の他の一つは、前記低温側流路は、前記ガス化原料導入手段により導入された前記ガス化原料の温度が上昇していく低温区域と、前記低温区域を通過した前記ガス化原料の温度が再び上昇する高温区域とを含んで構成され、前記外部加熱手段は、前記低温区域の高温端から前記ガス化原料を取り出し、また、前記ガス化原料を前記高温区域の低温端に戻すことを特徴とする。
本発明のように、低温区域の高温端からガス化原料を取り出し、これを高温区域の低温端に戻すことで、熱交換効率が低い温度域を流通させずにガス化原料の昇温を確実に行うことができ、これによりガス化を効率よく行うことができる。
なお、前記取り出しを行う位置における前記ガス化原料の定圧比熱は、例えば１０ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以上とする。
本発明の他の一つは、前記外部加熱手段における加熱は、前記対向流式熱交換器で昇温された前記ガス化原料を予熱する予熱器において行われることを特徴とする。
本発明によれば、対向流式熱交換器から取り出されたガス化原料の加熱を予熱器で行うことにより、ガス化システムで発生するエネルギーを効率よく使用することができる。
本発明によれば、熱交換器における熱交換効率を向上させ、これによりガス化原料を効率よくガス化するガス化システムを提供することができる。
図１Ａは、本発明の一実施形態として説明する、超臨界水によるバイオマスのガス化システム１００の概略構成を示す図である。図１Ａに示すように、ガス化システム１００は、調整タンク１、破砕機２、供給ポンプ３、熱交換器３０、予熱器４０、ガス化反応器５０、冷却器５１、減圧器５２、気液分離器６０、ガスタンク６１等を備えている。熱交換器３０とガス化反応器とは、配管５５により接続されている。
調整タンク１は、バイオマスの種類、量、含水率などに応じて水、及び活性炭の混合量を調整しながら、バイオマス、水、活性炭を混合するタンクである。調整タンク１では、バイオマス、活性炭、及び水が混合されることにより、ガス化原料（懸濁液）が調製される。なお、上記バイオマスは、例えば、焼酎残渣、採卵鶏糞等の含水性バイオマスである。また、活性炭の代わりに他の非金属系触媒を混合してもよく、例えばゼオライトを用いてもよいし、これらの混合物などを用いてもよい。なお、非金属系触媒としては平均粒径２００μｍ以下の粉末を用いることが好ましく、多孔質であることがより好ましい。
破砕機２は、調整タンク１で調製した懸濁液中のバイオマスを破砕して、バイオマスをあらかじめ均一な大きさ（好ましくは平均粒径が５００μｍ以下、より好ましくは平均粒径が３００μｍ以下）にし、供給ポンプ３に移送する装置である。
供給ポンプ３は、破砕機２から供給されてくる懸濁液を交換器３０に供給する装置である。供給ポンプ３は、例えば、高圧ポンプやモーノポンプなどである。
熱交換器３０は対向流式の熱交換器であり、ガス化反応器５０から排出される排出物（ガス化反応器５０から排出される生成ガス及び灰分、ならびに、非金属系触媒及び水（超臨界水）等）の熱を利用して、供給ポンプ３から供給されるガス化原料（懸濁液）を昇温する装置である。すなわち、この熱交換器３０は、供給ポンプ３から供給されるガス化原料が流れる低温側流路３６と、高温側流路３７とを備え、高温側流路３７には、低温側流路３６を流れるガス化原料と熱交換することによりガス化原料を昇温する処理水が流れる。
高温側流路３７には、配管５５を通じて上記排出物（処理水）が導入される。一方、導入口３１から導入された懸濁液は、低温側流路３６を流通しながら昇温され、排出口３２から排出される。なお、熱交換器３０の内部圧力は約２５ＭＰａに設定されている。
熱交換器３０は、例えば二重管式熱交換器である。図１Ｂは、熱交換器３０における二重管の構成の一例を説明する図である。同図に示すように、低温側流路３６は二重管の内管として設けられ、高温側流路３７は二重管の外管として設けられる。
図１Ａに戻り、予熱器４０は、ガスタンク６１に貯えられた生成ガス、燃料ガス（例えばＬＰＧ）、酸素ガスなどを燃焼することにより、懸濁液を所定の温度に加熱する装置である。
ガス化反応器５０は、例えば、管状反応器、流動層反応器などであり、懸濁液中のバイオマスを超臨界水でガス化する装置である。このガス化は、前記非金属系触媒を利用して、反応効率を高めることができる温度及び圧力下（例えば、６００℃以上、２５〜３５ＭＰａの範囲内）で行う。このようにバイオマスを超臨界水で処理することにより、バイオマスを分解し、水素ガス、メタン、エタン、エチレン等のガスを生成することができる。
冷却器５１は、ガス化反応器５０から排出される排出物を冷却するための装置である。
減圧器５２は、ガス化反応器５０から排出される排出物の生成ガス等の圧力を減圧する装置である。
気液分離器６０は、ガス化反応器５０から排出される排出物を、気体成分（生成ガス）と、液体成分（灰分、活性炭、及び水を含む混合液）とに分離する装置である。
ガスタンク６１は、気液分離器６０によって分離された気体成分（生成ガス）を貯える容器（好ましくは耐圧容器）である。
ガス化反応器５０に設けられた加熱器６２は、ガスタンク６１に貯えられた生成ガスの一部あるいは燃料ガス（例えばＬＰＧなど）を、酸素を含むガス中で燃焼してガス化反応器５０を加熱し、懸濁液を所定の温度に加熱する装置である。また、予熱器４０に設けられた加熱器６３は、ガスタンク６１に貯えられた生成ガスの一部あるいは燃料ガス（例えばＬＰＧなど）を、酸素を含むガス中で燃焼して予熱器４０を加熱し、懸濁液を所定の温度に加熱する装置である。加熱器６２、６３は、例えば、バーナーなどの、燃料ガスを燃焼して加熱する既存の装置である。
ところで、このようなガス化システム１００において、熱交換器３０の高温側流路３７を流れる水は前述のように、ガス化反応器５０から排出される超臨界状態の処理水であり、その温度はたとえば約６００℃と高温である。また、熱交換器３０の内部圧力も２５ＭＰａと高圧である。このような高温高圧の条件下では、熱交換器３０内においてガス化原料の昇温が充分に行われない場合がある。
図３は、導入口３１から排出口３２までの二重管の全長を１００とした場合の熱交換器３０（図２参照）を使用した場合における、低温側流路３６を流れるガス化原料の温度（「チューブ温度」）の変化、及び高温側流路３７を流れる処理水の温度（「ジャケット温度」）の変化の一例を示した図である。同図に示すように、熱交換器３０に約６００℃の処理水が導入された場合、この熱交換器３０には、ガス化原料が流通する順に（導入口３１に近い順に）、低温区域７１、中温区域７２、及び高温区域７３の３つの区域が形成される。すなわち、低温区域７１では、導入口３１から導入されたガス化原料の温度が約２５℃から約３８０℃まで急速に上昇するが、中温区域７２では、ガス化原料の温度が所定範囲内に収まり殆ど上昇しなくなる（約３８０℃のままである）。そして、高温区域７３では、ガス化原料の温度は再び上昇し、急速に約４００℃に達する。
このように、低温区域７１及び高温区域７３ではガス化原料の温度は急速に上昇するが、中温区域７２においてはガス化原料の温度は殆ど上昇せず、熱交換器３０における熱交換処理は全体として非効率となっている。中温区域７２の長さは熱交換器３０の二重管の全長の５０％を超える場合もあるので、その場合は特に熱交換器３０の熱交換効率が低下してしまう結果となる。
中温区域７２が存在する理由は以下の通りである。図４は、水の温度、圧力、及び定圧比熱の間の関係を示した図である。同図に示すように、熱交換器３０の内部圧力が２５ＭＰａの場合、定圧比熱は３８０℃前後において特異的に高い値をとる（ピークとなる）ため、このような温度のガス化原料は昇温されにくくなっている。また、ガス化原料と熱交換される処理水についても、ガス化原料の場合と同様に、定圧比熱が約３８０℃でピークとなる（正確には、二重管における圧力損失のためガス化原料よりも少し低い温度でピークとなる）。
そこで本発明者らは、熱交換器３０においてガス化原料の温度が上昇しにくい区域（上記の例ではガス化原料の温度が約３８０℃となっている区域）が存在しないように、つまり中温区域７２が存在しないように熱交換器３０を構成すれば、熱交換器３０における熱交換効率を向上させることができることを着想した。
そのような構成とした熱交換器３０の一例を図５に示した。同図に示すように、この熱交換器３０の外部には、ガス化原料の加熱を行うための外部加熱手段３５が設けられている。すなわち、符号３５ａに示すように、低温側流路３６の所定位置３３（以下、取り出し位置３３と称する。）からガス化原料を取り出し、符号３５ｂに示すように、取り出したガス化原料を予熱器４０の熱で加熱し、符号３５ｃで示すように、加熱したガス化原料を、取り出し位置３３より原料下流側である、低温流路３６の所定位置３４（以下、返流位置３４と称する。）に戻す、という流路の変更が行われている。この流路変更は、例えば、取り出し位置３３と予熱器４０との間を配管で接続してガス化原料を流通させ、予熱器４０と返流位置３４との間を配管で接続してガス化原料を流通させることにより行う。
以上の取り出し位置３３及び返流位置３４は、具体的には次のような位置である。すなわち、図５に示すように、取り出し位置３３は、ガス化原料の温度Ｔｃが３７０℃となり、処理水の温度Ｔｄが３７５℃となる位置（すなわち低温区域７１の高温端、中温区域７２との境界部）である。また、返流位置３４は、ガス化原料の温度Ｔｅが３８５℃となり、処理水の温度Ｔｆが３９０℃となる位置（すなわち高温区域７３の低温端，中温区域７２との境界部）である。
なお、このような低温側流路３６の流路変更に応じて、高温側流路３７の流路の変更も行っている。すなわち、図５に示すように、取り出し位置３３と返流位置３４の間をバイパス配管３８で接続し、返流位置３４から取り出し位置３３へと直接処理水が流れるように構成している。また、以上の流路変更により、配管の余剰部分３９は切除されている。
以上に説明したように、取り出し位置３３が低温領域７１と中温領域７２の境界部に定められ、返流位置３４が中温領域７２と高温領域７３の境界部に定められていることで、熱交換器３０における熱交換効率を向上させ、ガス化原料を確実に昇温させることができる。
また、このようにすることで、熱交換器３０において、流体の熱交換率が低くなる温度である約３８０℃になる領域が存在しなくなる。このような温度では、二重管内にタールが生成し、内管（低温側流路３６）や外管（高温側流路３７）が閉塞しやすくなるので、これを避けるべく、上記のように取り出し位置３３や返流位置３４を設けることで、タールの生成を抑制して配管の閉塞を防ぐことができ、ガス化システム１００の信頼性を向上させることができる。
また、熱交換器３０には一般に、高温高圧の条件に耐えるために高価な厚肉配管が使用されているので、上記のように中温区域７２を省くような流路変更を行うことで、配管の整備等に係る諸費用を抑えることができる。
また、熱交換器３０から取り出されたガス化原料の加熱を予熱器４０で行っているので、ガス化システム１００におけるエネルギー効率を向上させることができる。また、加熱設備の新規導入も不要であり、コストを増加させないようにすることができる。
ところで、上記の例では、ガス化原料の温度が約３７０℃となる位置を取り出し位置３３とし、ガス化原料が約３８５℃となる位置を返流位置３４としたが、取り出し位置３３や返流位置３４はこれらの位置に限られない。すなわち、取り出し位置３３は、低温区域７１と中温区域７２の境界部であればよく、また、返流位置３４は中温区域７２と高温区域７３の境界部であればよい。
図６は、取り出し位置３３や返流位置３４として適切な熱交換器３０の位置を説明する図である。同図に示すように、取り出し位置３３は、導入口３１に近い側でガス化原料の定圧比熱がピーク値をとる箇所（ガス化原料の温度が約３８０℃となる箇所）の近傍で、比較的定圧比熱が高い位置（例えば符号３３ａから符号３３ｂで示した範囲）のどこかであればよい。例えば、定圧比熱が１０ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以上となるような位置である。
一方、返流位置３４は、排出口３２に近い側でガス化原料の定圧比熱がピーク値となる箇所（ガス化原料の温度が約３８０℃となる位置）の近傍で、比較的定圧比熱が高い位置（例えば符号３４ａから符号３４ｂで示した範囲）のどこかであればよい。例えば、定圧比熱が１０ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以上となるような位置である。
なお、以上の説明では、熱交換器３０の内部圧力が２５ＭＰａであることを前提としたが、熱交換器３０の内部圧力は変化することがある。内部圧力が変化すれば定圧比熱のピークの温度も変化するため（図４参照）、熱交換器３０の内部圧力が変化した場合は、それに応じて取り出し位置３３を調節することが好ましい。
そこで次に、熱交換器３０の内部圧力が変化した場合の、取り出し位置３３の決定方法について説明する。
図７は、取り出し位置３３を決定するために用いる、水の温度、圧力、及び定圧比熱の関係を示した図である。同図に示すように、曲面７４は、定圧比熱が所定値を超える温度・圧力のプロットの集合を表している。曲面７４から、現在の熱交換器３０の圧力に対応する温度を読み取ることで、適切な取り出し位置３３を決定することができる。
以上のように、熱交換器３０の内部圧力が変動する場合であっても、定圧比熱の値に基づき取り出し位置３３や返流位置３４を決定することにより、熱交換器３０における熱交換効率を向上させることができる。
以上に説明したように、本実施形態のガス化システム１００によれば、熱交換器３０に導入されたガス化原料を低温側流路３６の途中で取り出し、取り出したガス化原料を加熱して低温側流路３６の途中に戻すことにより、例えば熱交換効率が低下する箇所をガス化原料が流通しないようにすることができ、これにより熱交換器３０における熱交換効率を向上させることができる。また、ガス化原料を熱交換器３０外の外部加熱手段（予熱器４０）で加熱することによりガス化原料を効率よくガス化することができる。また、加熱設備の新規導入が不要となり、コストを増加させないようにすることができる。
また、定圧比熱に基づき取り出しを行う位置（取り出し位置３３）を決定するので、例えば、定圧比熱が低い熱交換器３０の位置からガス化原料を取り出すことで、熱交換効率を確実に向上させることができる。
また、低温区域７１と中温区域７２の境界部からガス化原料を取り出し、これを中温区域７２と高温区域７３の境界部に戻しているので、熱交換効率が低い中温区域７２を流通させずにガス化原料を確実に昇温させることができ、これによりガス化を効率よく行うことができる。
以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。
例えば、本実施形態では、熱交換器３０として二重管式熱交換器を取り上げたが、対向流方式の熱交換器であれば他の種類の熱交換器であってもよい。
また、本実施形態では、取り出し位置３３から取り出したガス化原料を加熱する手段として、既存設備である予熱器４０を利用する方法を説明したが、新たに外部加熱手段（ヒーター等）を設けて加熱するようにしてもよい。
１ 調整タンク、２ 破砕機、３ 供給ポンプ、３０ 熱交換器、３１ 導入口、３２ 排出口、３３ 取り出し位置、３４ 返流位置、３５ 外部加熱手段、３６ 低温側流路、３７ 高温側流路、３８ バイパス配管、３９ 余剰部分、４０ 予熱器、５０ ガス化反応器、５１ 冷却器、５２ 減圧器、５５ 配管、６０ 気液分離器、６１ ガスタンク、６２ 加熱器、６３ 加熱器、７１ 低温区域、７２ 中温区域、７３ 高温区域、７４ 曲面、１００ ガス化システム
前記目的を達成するため、本発明は、ガス化原料が流れる低温側流路、及び前記ガス化原料と熱交換することにより前記ガス化原料を昇温する、超臨界状態の処理水が導入される高温側流路を備える対向流式熱交換器と、 前記対向流式熱交換器で昇温された前記ガス化原料を、加熱及び加圧することにより超臨界状態にしてガス化し、前記超臨界状態の処理水として排出するガス化反応器と、前記ガス化反応器から排出された処理水を前記対向流式熱交換器に導く処理水流路とを含んで構成されるガス化システムであって、前記ガス化原料を前記低温側流路に導入する原料導入手段と、前記原料導入手段により導入された前記ガス化原料を前記低温側流路の途中から取り出し、取り出した前記ガス化原料を加熱し、加熱した前記ガス化原料を、取り出した位置よりも原料下流側の、前記低温側流路における途中位置に戻す外部加熱手段と、を備えることを特徴とする。
Claims (5)
- ガス化原料が流れる低温側流路、及び前記ガス化原料と熱交換することにより前記ガス化原料を昇温する、超臨界状態の処理水が導入される高温側流路を備える対向流式熱交換器と、
前記対向流式熱交換器で昇温された前記ガス化原料を、加熱及び加圧することにより超臨界状態にしてガス化し、前記超臨界状態の処理水として排出するガス化反応器と、
前記ガス化反応器から排出された処理水を前記対向流式熱交換器に導く処理水流路と
を含んで構成されるガス化システムであって、
前記ガス化原料を前記低温側流路に導入する原料導入手段と、
前記原料導入手段により導入された前記ガス化原料を前記低温側流路の途中から取り出し、取り出した前記ガス化原料を加熱し、加熱した前記ガス化原料を、取り出した位置よりも原料下流側の途中位置に戻す外部加熱手段と、
を備えることを特徴とするガス化システム。 - 前記ガス化原料の定圧比熱の値に基づき前記取り出しを行う位置を決定し、決定した前記位置から前記ガス化原料を取り出すことを特徴とする請求項１に記載のガス化システム。
- 前記取り出しを行う位置における前記水の定圧比熱が１０ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載のガス化システム。
- 前記低温側流路は、前記ガス化原料導入手段により導入された前記ガス化原料の温度が上昇していく低温区域と、前記低温区域を通過した前記ガス化原料の温度が再び上昇する高温区域とを含んで構成され、
前記外部加熱手段は、前記低温区域の高温端から前記ガス化原料を取り出し、また、前記ガス化原料を前記高温区域の低温端に戻す
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス化システム。 - 前記外部加熱手段における加熱は、前記対向流式熱交換器で昇温された前記ガス化原料を予熱する予熱器において行われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス化システム。
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